JP2007516121A - 超周波数広域で軌道車輛の位置を検出し、制御する装置と方法 - Google Patents

超周波数広域で軌道車輛の位置を検出し、制御する装置と方法 Download PDF

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Abstract

【課題】軌道車輛の所在置を決定し、そして制御する装置と方法を提供する。
【解決手段】上記装置は、第1の送受信手段2を備える定置局1と、この定置局1へ接続されている中央制御局3とを含んでいる。
本発明に従って、各軌道車輛4は、第2の送受信手段6をに備えている。第1と第2の送受信手段2,6が送信する信号は、送信機の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを含み、そして周波数スペクトル範囲が1GHzと10GHzとの間にある非常に広い通過帯域の非正弦波無線信号である。各軌道車輛4と各定置局1とは受信した各信号の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを決定する処理手段8を含んでいる。中央制御局3は軌道オペレーション制御命令を送る。
【選択図】図1

Description

20世紀に非常に急速に人口が増加した大規模都市のアグロメレーションもしくは集積化をプランニングするに当たり、公共輸送の理想的な解決手段として地下鉄道が残った。少なくとも部分的に地下となっている車線は、どの車輛からもそのアグロメレーションの中心を(地下で)クリアーして、それらアグロメレーションを放射方向に走りぬけさせながら、その都市中心を歩行者地区にするという、そしてそれ故環状路よりも効率よく輸送するという最近の要請に応えるものである。しかしながら、完全に自動化された都市型軌道輸送システムによって輸送される乗客が感じる安全性とサービスの質とを向上させるにはなお多くの分野において多大の努力を必要とする。
車輛に搭載の自動化システムと地上の自動化システムとの間での情報交換に関する基本的な要請に加えて、乗客の安全を確保するためもしくは乗客に知らせる大量の情報伝達、例えばマルチモード情報もしくはマルチメディアサービスを確保するために車内監視用ビデオカメラを設置するというような新しいニーズに応えるには、すべての恒常的な地上と軌道車輛との交信と大量の通信処理とが何よりも先ず必要となる。
古い線路網に比較して都市車線の平均の駅間距離は増加する傾向にある。古いパリの地下鉄網のこの距離は約500メートルであったのが、1998年に建設された自動化路線「メトロ」では2000メートルにまで増加している。敷設しようとする町の計画によるが、駅間距離の延長は電車の経済速度を毎時50キロメートル近くまで増加させることができるが、以前の鉄道網では約毎時25キロメートルに過ぎない。この増速は利用者にとっての平均乗車時間の短縮を狙っているだけではなく、いわゆるラッシュアワーにおける乗客の流れに対処できるようになる。
駅間の平均距離のこの増加に関心が高まるのは車線の保守を一層容易にすることになると言うことであり、地上に、車線にもしくは駅間には極めて少数の要素、例えば交信メディア、ビーコンなどを配備することとなる。それ故、ケーブル、導波管などの交信メディアではなく、自由搬送無線技術を使用する。
現在稼働中のすべての駆動システムは狭い周波数帯域技術に基礎を置いた正弦波信号を使用している。このため無線設備の装置は離して、駅と駅との間に設置するのが好ましい。
低周波数で、すなわち数百MHzでトンネルに正弦波の無線信号を伝播することを考えると、これらの信号は急速に減衰する。ロードトンネルを通るときには減衰は100MHzで100メートル毎に30ないし40dBの値に達する。この減衰特性では、(1キロメートル程度にもなる)近代の都市搬送手段で現在考慮されている駅と駅との間隔ではそのような正弦波の無線信号は使えない。
本発明の目的は、設計と動作態様が簡単で、データの転送速度が非常に速く且つ経済的であり、他の交信システムとの干渉の危険は制限され、それにより無線での軌道車輛対地上遠隔通信を、特にトンネル内で、100%とし、また障害物を検出しそれ故乗客の安全性を高めることになる車輛前方の状況認知と障害物までの走行距離測定に高度に利用できる、超周波数広域で軌道車輛の位置を検出し、制御する装置と方法を提供することである。
この目的のため本発明は、第1の送受信手段を備える定置局と、この定置局へ接続されていて、輸送域を制御する中央制御局とを含み、軌道車輛の位置決め(所在置の決定)と制御を行う装置に関するものである。
本発明では、
各軌道車輛は送信機の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを含む信号の第2の送受信手段を備えており、
定置局の送受信手段が送信する信号も送信機の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを含み、
中央制御局は軌道オペレーション制御命令を送り、
各軌道車輛と各定置局とは受信した各信号の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを決定する処理手段を含んでおり、
第1と第2の送受信手段の信号は周波数スペクトル範囲が1GHzと10GHzとの間にある非常に広い通過帯域の非正弦波無線信号である。
「軌道車輛」とは案内システムがレール、枕木もしくは他のどのような手段により作動されているかどうかとは関りなくどのような案内式輸送システムをも意味している。
軌道車輛の位置決めと制御のための装置の幾つかの本発明の実施例はそれ自体の利点を有しており、そしてそれらを様々に組み合わせることは技術的に可能でもある。
各軌道車輛は一方では、輸送域内の車輛の位置と方向とを決定し、他方では、車輛の実際の速度を測定する手段を含み、この手段は上記処理手段から信号を受けるようになっている。
各軌道車輛は、上記処理手段からの信号を受け、車線上の不動の障害物もしくは他の車輛を検出する手段を含んでいる。
本発明の装置は、リアルタイムでかつ同時に、各軌道車輛の輸送域内の位置、速度そして方向を一方で決定し、そして他方で障害物の検出を実行する。
個別識別子は擬似ランダムな符合化により得られる。
中央制御局が送る軌道オペレーション制御命令は少なくとも一台の軌道車輛の運行指令を含んでいる。
上記命令は軌道車輛のための通信を含む。
中央制御局は定置局が送ったデータを集中化して処理する処理ユニットと前記のデータをリアルタイムでスクリーンに表示する手段とを含んでいる。
本発明は、第1の送受信手段を備える定置局と、この定置局へ接続されている中央制御局とを含み、軌道車輛の位置決め(所在置の決定)と制御を行う方法にも係るものである。
本発明では、
各軌道車輛は第2の送受信手段を備えており、
個別識別子は第1と第2の送受信手段の各々に対して決められており、信号は周波数スペクトル範囲が1GHzと10GHzとの間にある非常に広い通過帯域の非正弦波無線信号であって、個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを含み、
各軌道車輛と各定置局とが受信した信号毎にその信号の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを処理手段により決定し、
中央制御局は軌道オペレーション制御命令を送る。
本発明の実施例では以下の特徴を備えており、それらの特徴は個々に、もしくはすべてそれらの技術的に可能な組合せに応じて利用できる。
中央制御局により制御されている輸送域であって、その中で軌道車輛が移動している輸送域を長さDの同じ基本網目の繰り返しによって決まる格子点に分ける。
基本網目の長さDは数百メートルにするのが典型である。
長さD内には、常に単一の軌道車輛がいるように、各軌道車輛へ中央制御局が軌道オペレーション制御命令を送る。
長さDにわたって集合操車を行うように少なくとも2台の車輛に中央制御局が軌道オペレーション制御命令を送る。
基本網目の長さDは時間につれて変わる。
各軌道車輛が発信する信号からリアルタイムで基本網目の長さDを決め、この長さは各車輛間の安全距離Dminに少なくとも等しく、各車輛間に前記の長さもしくは距離Dを保つように各車輛へ中央制御局が軌道オペレーション制御命令を送る。
車線上の不動の障害物は移動中の各車輛の第2の送受信手段により検出される。
上に述べた位置決め制御装置と方法とは自動化地下鉄に使用して有利である。
図1は本発明の実施例の軌道車輛の位置決めと制御を行う装置を示す。この装置は第1の送受信手段2を備える定置局1を含んでいる。また、その位置決め制御装置は定置局1へ接続されていて、輸送域を制御する中央制御局3を含む。この中央制御局3は軌道オペレーション制御命令を送る。好ましい実施例ではそのような命令は中央制御局3が制御する輸送域にある少なくとも一台の車輛4に対する運行(ナビゲーション)指令を含んでいる。命令は軌道車輛4の乗客との交信、例えば輸送情報、マルチメディアメッセージなどを含んでいてもよい。
定置局1が処理する地上情報は例えば光ファイバーによるポイント−トゥ−ポイント・リンクによって定置局1に集められ、中央制御局3は車線を周っている、もしくは全輸送域にあるすべての軌道車輛4の速度、位置そして状態を包括的に知る。
中央制御局3は、定置局1が送ったデータを集中化して処理する処理ユニットと前記のデータをリアルタイムでスクリーンに表示する手段とを含んでいる。
各軌道車輛4は第2の送受信手段6を備えている。第1と第2の送受信手段2,6が発生する信号は送信機の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを含んでいる。都市案内式輸送車線に沿って数十の駅とこれらの駅のそれぞれに関連した定置局とがある。また、中央制御局3が制御する輸送域内を走る幾台かの軌道車輛4がある。各定置局1従って各駅と各軌道車輛4はGPS衛星群(全地球測位システム)のPRNコードのような単一の識別子を有する。
「識別子」とは送信機に与えられた個別の識別コードと個別のアイデンティティを意味している。これらの識別子は全輸送網によって知られているが、外部には漏らされてはいない。そのような識別子は交信の内密性を改善し、それにより輸送システムの全安全性を高めるために秘密とされているのである。軌道車輛4と定置局1毎のこれらの識別子は超広帯域技術に従ってパルス列を変調する。無線交信では実際にはパルスと次ぎのパルスとの間の間隔を情報、符合もしくは同時にその両方により一定にしたり、変えたりする。個別の識別子は擬似ランダム符合化により得られるのが好ましい。
トンネル内では単一の無線送信チャンネルが利用できると言うのが典型である。制御命令装置を提供するためには幾つかの軌道車輛もしくは定置局が前記の無線チャンネルに同時にアクセスできるようにするべきである。GPS衛星群の配置のように、帯域Lにおける同じチャンネルでの輸送網の各軌道車輛への又は各定置交信局へのすべての送信は、ファミリー(例えばGPS衛星群の場合ゴールドコードのファミリー、もしくは直交関数を持つファミリーから取り出されたスチルコードのファミリー)に由来する特定のコードに関連している。このファミリーのコードにおいて特に求められる特性はそれの直交特性にあって、その直交特性により所与の受信者はこの分野における信号、コードを殆ど干渉なく識別する。
第1と第2の送受信手段2,6の信号は周波数スペクトル範囲が1GHzと10GHzとの間にある非常に広い通過帯域の無線信号である。このような高い周波数では、トンネルは確かに大きな導波管のように振舞う。数百メートルのトンネルのトンネル区分にわたって1ないし10GHzの信号の減衰は非常に少ない。これらの信号の伝送バランスは1キロメートル程度の距離と適合できることとなる。それ故、これらの信号は、地下トンネルで有効に伝播する周波数範囲内に完全に入る。更に、被処理信号の広いスペクトル広がりと超広帯域信号の非常に小さい(ナノ秒程度の)基本期間とによって、壁への反射でリンクする多くのパス(路)により特徴付けられているトンネル内の困難な伝播条件を免除し、そしてトンネル内では数十ナノ秒のような高い信号分布となる。それ故この超広帯域技術により、自動化された地下鉄のような軌道車輛の自動化駆動システムに必要な最適無線カバリッジを可能とする。
第1と第2の送受信手段2,6は例えば広帯域アンテナ7を備えている。このアンテナ7は
小さい方向性放射が車輛で要求されるときは、例えば円板型のモノポールもしくは2枚の円板から形成されるダイポールであってよい。広帯域アンテナは他にもあるが、そのような構成なら円板直径が数十センチメートル以下で1ないし10GHzの所望の通過帯域が得られる。そのようなアンテナ7を例えば定置局1に、パラボラの焦点の処に、もしくは広帯域フォーカス素子に配置して、方向性を高め、そしてそれにより地上と車輛とのリンクの伝送バランスを高める。各車輛4と各定置局1とは受信信号毎にそれの識別子と少なくとも一つのメッセージとを決定する処理手段8を含んでいる。各定置局1のもしくは各車輛の送信機に個別の符合もしくはコードを与えているので、そして第1と第2の送受信手段2,6はそれの記憶メモリに線路網の超広帯域送受信手段の識別子を含んでいるので、定置または可動の各超広帯域受信機はこれらの異なる識別子についてそれぞれのところでその役を果たし、定置局1(駅)の送受信手段2からの信号もしくは無線操作電車のような車輛4から来る第2送受信手段6からの信号を相関関係により複号化する。それ故、各送受信手段2,6は、
‐ 定置局1(駅)と無線レンジ内の車輛4(電車)のコードにロックされた一つもしくは幾つかの処理レーンを有する。それらは送られたオペレーションデータ(識別子、速度、位置、電車と駅との状態‐‐‐)を集める。
‐ 超広帯域交信が確立している定置局1もしくは軌道車輛4に対する速度を計算する一つもしくは幾つかの処理レーンを有する。
‐ 輸送域の2つの識別特定された中間駅間の電車4の位置を決定するため駅間距離を計算する一つのレーンを有する。
‐ すべての車輛4と定置局1のコードを局地的に発生しながら、そして相関関係により新しい有意の信号を検知しようとしながら、無線レンジ域内の新しい軌道車輛4の出現もしくは定置局1の出現を掃引する一つのレーンを有する。
それ故、各定置局1はそれの適用範囲9内を走行するする軌道車輛4に対する基本情報を把握している。軌道車輛4の速度と位置とを遠隔測定し、もしくは地上と車輛4との間で交信される超広帯域信号の分析に基づいて軌道車輛4でつくられた情報を受けることは地上で可能である。
すべての車輛4はそれらがいる場所で下り方向の定置局もしくは上り方向の定置局への距離を計算できる。車輛4は付近の他の車輛4についての識別子、速度そして位置に関する情報を得ることもできる。
この位置決め・制御装置は正確な電車の走行距離を決定できる。それは輸送域における軌道車輛4(電車)の正確な位置を決定することを含んでおり、実例として「ゴール前シュート」をすることができる、すなわち、到達ゲート前で正確に、もしくは制止区域と呼ばれる数百メートルの特定レーン域に入る前に正確に、自動的に車輛4を停止させることができる。第1近似として軌道車輛4はレーンに沿って単一ディメンジョンに沿って動く。上り方向及び又は下り方向の定置点に対する距離を、下り方向の駅もしくは上り方向の駅にある地理的な絶対位置が知られた装置(geolocalised equipment)からの信号の飛翔時間に基づいて測定することは、高度の確度と精度とをもって、その案内されている車輛の絶対位置を決定することになる。その波形とは関りなくナノ秒程度である、超広帯域基本パルスの幅の大きさをここで再び考慮すると、その幅は約30センチメートルの距離空中を進むことに相当する。この距離分に等しい距離解像力は信号を処理することにより得られる。この処理により数センチメートル程度の距離解像力に到達することになり、それは軌道車輛4の到達ゲート前の正確な停止と言うターゲットシュートの目的に合致する。この距離から引き出すことにより明らかに、超広帯域技術は、車輛のシネマティック・キャパシティ(cinematic
capacities)を損なうことなく、そして低速(ゼロスピード検出―車輛停止)を含めて高度に遂行できる(非制動車軸のない)軌道車輛の実際の速度測定に到達することができる。
超広帯域のレーダー技術による車輛の前方認知により車線上の不動の障害物を検知する手段も各軌道車輛4は含んでいる。第2の送受信手段により送られてくるコードにロックされている車線はその車線内に不動の障害物を検出する。そのような監視体制が、(夜間工事中にその車線に残された障害物とか、トンネルの損傷個所からの落石のような)障害物の検出や、他の車輛の検出を確立し、そして(不測の障害物の場合の緊急制動のような)電車の速度プログラムに反応できるようにしている。この後の場合にはそのような監視機能により、制動後の車輛の車庫入れというような特殊態様に従って輸送システムを作動できるようにし、もしくはその線の中心に最大数の車輛が集まり、その線の両端には最少数の車輛が集まるようにその線に車輛を分散しておくようにすることもできる。
本発明は、第1の送受信手段2を備える定置局1とこの定置局1へ接続されている中央制御局3とを備え、軌道車輛の位置決め(所在置の決定)と制御を行う方法にも係るものである。各車輛軌道4は第2の送受信手段6を備えている。
この方法に従えば個別識別子は第1と第2の送受信手段2,6の各々に対して決められており、送受信信号は周波数スペクトル範囲が1GHzと10GHzとの間にある非常に広い通過帯域の非正弦波無線信号であって、個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを含んでいる。各軌道車輛4と各定置局1とが受信した信号毎にその信号の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを処理手段により決定する。中央制御局は軌道オペレーション制御命令を送る。
2つの作動態様によって鉄道は作動させることができる。両方の態様とも、軌道車輛4が配置されていて、中央制御局3が制御している輸送域を同じ基本長さDの網目の繰り返しにより決められる格子点に分割する。
基本網目の長さDは数百メートルとするのが典型であり、そしてその場合そのように呼んでいるのであるがシステムは定ブロック区分の態様に切り替わっている。そのときの軌道オペレーション制御命令は中央制御局3から各軌道車輛に送られて、その長さもしくは距離Dには常に一台の車輛がいるようになっている。定ブロックでのこの作動態様はもっとも普通の作動態様である。数キロメートルの地下線は一連の固定長区分に分けられる。自動駆動システムは地上と電車(速度、位置、区分内侵入・区分占有検出器)から取り出された情報を処理してすべての関連手段を動員して常に一つの区分に一台の電車がいるようにする。実例として、別の電車が占有している下方の区分に上方の区分から入っていこうとする電車があると、上方の区分の境界でのその電車の停車を、定置オートマチズムと車輛搭載オートマチズムで対話し、用意しそして実行することができる。
基本網目距離Dは時間につれて変えることもでき、その場合を可変移動区分態様と呼ぶ。この基本網目の距離Dは各軌道車輛4が発生する信号からリアルタイムに決められ、その距離は各車輛間の安全距離Dminに少なくとも等しい。中央制御局3は各軌道車輛4に軌道オペレーション制御命令を送って各車両間距離Dを保っている。この第2の態様では鉄道線は固定区間で制限されることはないが、中央制御局3はその線の上の各軌道車輛4から速度と位置情報を受けるようになる。各電車が安全モードで必要に応じて停止できる以前に中央制御局は常に安全間隔を計算している。電車のシネマティックキャパシティ(速度、制動能力、摩擦係数)に従ってこの距離は急速に変わる。これらの情報はすべての電車が周期的に発信する速度と位置とに基づいて常に更新される。地上システムは計算して、その線上の電車のそれぞれに実効速度を返信し、制限期間(数百ミリ秒)だけ行程許可を出す。この動作態様により理論的にその線上で最大数の電車を処理でき、そして輸送資源の最適利用をすることができる。
車輛間の直接交信のお蔭で、地上での定置技術に頼らずに車上で前記の計算を行うこともできる。その場合電車から直接その車線を管理でき、地上システムは監視の役割だけを果たすことになる。
混合態様もある。電車が故障したり、もしくはある線で分離電車として作動するようにさせると待ち合わせ機動作動となって、作動モードにない電車が故障電車を押せるようにしたり、それと連結したりして、特別に負荷した車線の中央域に付加的な輸送能力を持たせるようにする。両方の場合において電車は占有されている区域に入り込み、そしてそのシステムは定区分の車線の基本作動原理とは反対になってそのような動作の安全を管理していかなければならない。
本発明に従っての軌道車輛4を位置決めし制御する装置と方法とは以下の機能の一つもしくは幾つかを遂行する。
i)地上と軌道車輛4との交信、
ii)軌道車輛4どうしでの直接交信、
iii)中央制御局3により制御される輸送域における軌道車輛4(電車…)の正確な位置測定、
iv)(非制動軸のない…)車輛のシネマティックキャパシテイを損なうことなく実現化され、そして低速(ゼロ速度検出−車輛停止)を含んで高度に達成される「軌道車輛の実際の速度測定」、
v)超広帯域レーダー技術による車輛の前方認知によって車線上の不動の障害物や他の車輛の監視。
本発明の軌道車輛の位置決めと制御の装置の略図
符号の説明
1 定置局
2 第1の送受信手段
3 中央制御局
4 車輛
6 第2の送受信手段
7 広帯域アンテナ
8 処理手段
9 適用範囲

Claims (16)

  1. 第1の送受信手段(2)を備える定置局(1)と、この定置局1へ接続されていて、輸送域を制御する中央制御局(3)とを含み、軌道車輛(4)の位置決めと制御を行う装置において、
    各軌道車輛(4)は送信機の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを含む信号の第2の送受信手段(6)を備えており、
    定置局(1)の第1の送受信手段(2)が送信する信号は送信機の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを含み、
    中央制御局(3)は軌道オペレーション制御命令を送り、
    各軌道車輛(4)と各定置局(1)とは受信した各信号の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを決定する処理手段(8)を含んでおり、
    第1と第2の送受信手段(2),(6)の信号は周波数スペクトル範囲が1GHzと10GHzとの間にある非常に広い通過帯域の非正弦波無線信号である
    ことを特徴とした軌道車輛の位置決定・制御装置。
  2. 各軌道車輛(4)は一方では、輸送域内の車輛の位置と方向とを決定し、他方では、車輛の実際の速度を測定する手段を含み、この手段は前記処理手段から信号を受ける請求項1に記載の装置。
  3. 各軌道車輛(4)は、処理手段からの信号を受け、車線上の不動の障害物もしくは他の車輛を検出する手段を含んでいる請求項1もしくは2に記載の装置。
  4. リアルタイムで同時に、各軌道車輛(4)の輸送域内の位置、速度そして方向を一方で決定し、そして他方で障害物の検出を実行する請求項1ないし3のいずれかに記載の装置。
  5. 個別識別子は擬似ランダムな符合化により得られる請求項1ないし4のいずれかに記載の装置。
  6. 中央制御局(3)が送る軌道オペレーション制御命令は少なくとも一台の軌道車輛(4)の運行指令を含んでいる請求項1ないし5のいずれかに記載の装置。
  7. 前記命令は軌道車輛(4)のための通信を含む請求項6に記載の装置。
  8. 中央制御局(3)は定置局(1)が送ったデータを集中化して処理する処理ユニットと前記のデータをリアルタイムでスクリーンに表示する手段とを含んでいる請求項1ないし7のいずれかに記載の装置。
  9. 第1の送受信手段(2)を備える定置局(1)と、この定置局(1)へ接続されている中央制御局(3)を含み、軌道車輛の位置決めと制御を行う方法において、
    各軌道車輛(4)は第2の送受信手段(6)を備えており、
    個別識別子は第1と第2の送受信手段(2),(6)の各々に対して決められており、信号は周波数スペクトル範囲が1GHzと10GHzとの間にある非常に広い通過帯域の非正弦波無線信号であって、個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを含み、
    各軌道車輛(4)と各定置局(1)とが受信した信号毎にその信号の個別識別子と少なくとも一つのメッセージとを処理手段(8)により決定し、
    中央制御局(3)は軌道オペレーション制御命令を送る
    ことを特徴とした軌道車輛の位置決定・制御方法。
  10. 中央制御局(3)により制御されている輸送域であって、その中で軌道車輛が移動している輸送域を長さDの同じ基本網目の繰り返しによって決まる格子点に分ける請求項9に記載の方法。
  11. 基本網目の長さDは数百メートルにするのが典型である請求項10に記載の方法。
  12. 長さD内には、常に単一の軌道車輛(4)がいるように、各軌道車輛4へ中央制御局3が軌道オペレーション制御命令を送る請求項11に記載の方法。
  13. 長さDにわたって集合操車を行うように少なくとも2台の車輛に中央制御局(3)が軌道オペレーション制御命令を送る請求項11に記載の方法。
  14. 基本網目の長さDは時間につれて変わる請求項10に記載の方法。
  15. 各軌道車輛(4)が発信する信号からリアルタイムで基本網目の長さDを決め、この長さは各車輛間の安全距離Dminに少なくとも等しく、各車輛間に前記の長さDを保つように各車輛(4)へ中央制御局(3)が軌道オペレーション制御命令を送る請求項14に記載の方法。
  16. 車線上の不動の障害物は移動中の各車輛の第2の送受信手段(6)により検出される請求項9ないし15のいずれかに記載の方法。
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